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小信號(hào)調(diào)諧放大器仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告
小信號(hào)調(diào)諧放大器同時(shí)具有選頻和放大功能，電路由有源器件和無(wú)源選頻網(wǎng)絡(luò)組成。高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器在通信設(shè)備中的主要用途是作為接收機(jī)的高頻放大器和中頻放大器。
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong> 1.熟悉Multisim仿真工具的使用方法，包括： （1）靜態(tài)工作點(diǎn)分析方法。根據(jù)電路參數(shù)設(shè)置，判斷晶體管處于放大區(qū)，以確保電路正常工作； （2）運(yùn)用參數(shù)掃描的方法研究元件參數(shù)改變對(duì)電路性能的影響； （3）運(yùn)用交流分析，或波特儀分析信號(hào)的幅頻特性。用示波器觀察時(shí)域波形圖。 2.借助于Multisim仿真工具分析研究電路元件參數(shù)對(duì)放大器交直流特性的影響。包括： （1）掌握諧振放大器的基本工作原理，掌握小信號(hào)放大器偏置電路設(shè)計(jì)方法； （2）分析放大器靜態(tài)工作點(diǎn)、集電極等效電阻及發(fā)射極電阻對(duì)單調(diào)諧放大器幅頻特性的影響。包括電壓增益、通頻帶、Q值等； （3）分析耦合電容對(duì)雙調(diào)諧放大器選頻特性的影響。包括增益特性，帶寬及強(qiáng)耦合狀態(tài)下耦合電容變化對(duì)雙峰及凹陷點(diǎn)頻率的影響； （4）培養(yǎng)通信電路綜合分析能力，掌握仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫的基本規(guī)范。
二、單調(diào)諧放大器 1.實(shí)驗(yàn)原理 小信號(hào)諧振放大器是通信接收機(jī)的前端電路，主要用于高頻小信號(hào)或微弱信號(hào)的線性放大和選頻。單調(diào)諧回路諧振放大器原理電路如圖1-1所示。圖中，R1、W1、RE為偏置電阻，用以保證晶體管工作于放大區(qū)域，使放大器工作于甲類。C1是RE的旁路電容，C2、C7是輸入、輸出耦合電容，L2+L3、CT+C3構(gòu)成放大器諧振回路，R2是集電極可變等效電阻，它對(duì)諧振回路Q值、帶寬有重要影響。為了減輕負(fù)載對(duì)集電極回路Q值的影響，采用部分接入方式。 2.單調(diào)諧放大器實(shí)驗(yàn)電路 圖1-1給出單調(diào)諧放大器的原理圖。 圖1-1單調(diào)諧放大器原理圖
圖中W1為100K可變電位器，回路電感由 “L2（5.6μH）和L3（2.4μH）兩個(gè)電感構(gòu)成，輸出由兩個(gè)電感之間引出，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電阻的部分接入。集電極等效電阻為20K可變電阻，通過(guò)改變?cè)撟柚笛芯康刃щ娮鑼?duì)放大器選頻特性的影響。發(fā)射極電阻RE（2K、1K和100Ω）通過(guò)開關(guān)選擇接入，用以研究該電阻對(duì)放大器增益特性的影響。 電路的有源器件采用NPN型的三極管2N2222作為調(diào)諧放大器的核心器件。該器件最大集電極電流IC=800mA、集電極-發(fā)射極擊穿電壓VCE=30V，工作截止頻率為250MHz，β取值范圍在100-300，導(dǎo)通電壓為 0.7V。
按圖1-1給出的單調(diào)諧放大器連接電路
3.仿真研究?jī)?nèi)容及要求 3.1 靜態(tài)工作點(diǎn)分析 取RE為1K，調(diào)節(jié)可變電阻W1，設(shè)置其阻值分別為100K、68K、22K、330Ω，用Multisim中的探針或數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量三極管基極、發(fā)射極電壓，填寫表1，并判斷三極管工作狀態(tài)(截止、飽和、放大)。 表1
3.2 靜態(tài)特性研究 （i）將可變電阻W1初值設(shè)定為22K使晶體管工作于放大區(qū)，取R2=10K，Re=1K，輸入頻率為3MHz，Vop-p=60mV的正弦信號(hào)，用示波器觀察輸出波形。調(diào)節(jié)可變電容CT，使輸出信號(hào)幅度最大，以確保選頻回路諧振在3MHz附近，記錄此時(shí)可變電容CT的數(shù)值36pF，根據(jù)諧振回路的L、C值計(jì)算放大器中心頻率f03.07MHz 如與3MHz有偏差說(shuō)明原因。進(jìn)一步計(jì)算并填寫表2第1列。 （ii）將可變電阻W1順時(shí)旋轉(zhuǎn)到底，此時(shí)可變電阻阻值最大，記作W1max，用示波器觀察放大器輸出波形。如果沒有輸出信號(hào)（因?yàn)樘幱诮刂箙^(qū)）則緩慢逆時(shí)針調(diào)整W1直至有輸出波形，記錄此時(shí)W1max的阻值，計(jì)算并填寫表2第2列。（有波形輸出） （iii）逆時(shí)針調(diào)整W1使其阻為W1med時(shí)，記錄此時(shí)的最大不失真輸出信號(hào)幅值，及W1med的阻值，計(jì)算并填寫表2第3列。 （iv）進(jìn)一步逆時(shí)針調(diào)整W1使其阻值為W1min時(shí)，輸出信號(hào)出現(xiàn)飽和失真，記錄此時(shí)的W1min阻值，填寫表2第4列。 表2
W1取值22K、W1max、W1med及W1min時(shí)相對(duì)應(yīng)的仿真輸出波形 W1=22kΩ
W1= W1max
W1= W1med
W1= W1min
設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，以獲得較大的不失真輸出信號(hào)，Q點(diǎn)過(guò)高(或過(guò)低)會(huì)引起輸出信號(hào)的飽和(或截止) 失真。
根據(jù)仿真分析結(jié)果確定最優(yōu)上偏置電阻W1的阻值（最優(yōu)指的是放大器輸出最大不失真電壓時(shí)所對(duì)應(yīng)W1的阻值）為W1med=20kΩ
從理論上分析輸出波形產(chǎn)生飽和失真的原因，并解釋調(diào)諧放大器為何不會(huì)出現(xiàn)截止失真。 當(dāng)W1的值過(guò)小，VCE值過(guò)小，靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)高，三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)，引起輸出信號(hào)的飽和失真；因選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性，無(wú)法觀察到截止失真波形。
如何正確設(shè)置偏置電路（W1、R1）以滿足 ，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證該方法的正確性。 直流偏置電路的作用在于為晶體管正常工作提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。該電路靜態(tài)工作點(diǎn)Q主要由RE、W1、R1、VCC確定。利用W1和R1的分壓固定基極偏置電位VBQ。只有當(dāng)IW1>>IBQ時(shí)，才能獲得恒定的VBQ，故要求IW1=（5~10）IBQ。負(fù)反饋越強(qiáng)，電路穩(wěn)定性越好，故要求 VBQ>>VBE，一般硅管取VBQ=（3~5）VBE。 由于放大電路是工作在小信號(hào)放大狀態(tài)的，放大電路的工作電路 ICQ一般在0.8~2mA范圍內(nèi)為宜，設(shè)計(jì)電路中取VCC=12V，IC=1.5mA，β=100，設(shè)發(fā)射極電阻 RE=1kΩ，VBEQ=0.7 V VEQ=IEQRE =ICQRE =2mA×1kΩ=2V VBQ= VEQ+ VBEQ=2V+0.7 V=2.7V VCEQ= VCC-VEQ=12 V-2V =10V VBQ=VCC =2.7V  = 設(shè)R1=6.2kΩ，則W1=21.4kΩ，所以取W1為22kΩ。 仿真驗(yàn)證：分別在W1、R1處加入探針測(cè)得
3.3 動(dòng)態(tài)特性研究 1.集電極等效電阻對(duì)放大器幅頻特性的影響 將W1設(shè)置為最優(yōu)阻值W1med，Re=1K，R2分別設(shè)置為20K、10K、2K、470Ω，將頻率范圍設(shè)置為1—5MHz，用波特儀或在Multisim中執(zhí)行“視圖>圖示儀”,打開圖形顯示窗口，觀察放大器的幅頻特性，根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算3dB帶寬、Q值及中心頻率的增益G0，填寫表3。 表3
用參數(shù)掃描的方法，觀察集電極等效電阻分別為20K、10K、2K、470Ω時(shí)的幅頻特性曲線。請(qǐng)描述實(shí)現(xiàn)的方法與步驟。 置集電極電阻為R3 通過(guò) “仿真>分析>參數(shù)掃描”打開參數(shù)掃描設(shè)置界面，掃描參數(shù)、待掃描的點(diǎn)等設(shè)置如圖所示 設(shè)置合理的頻率掃描及點(diǎn)數(shù) 在輸出中添加輸出端口V(7)  設(shè)置完成后點(diǎn)擊“仿真”按鈕執(zhí)行分析，得到如圖所示的幅頻特性曲線
根據(jù)表3分析結(jié)果，說(shuō)明集電極等效電阻R2對(duì)放大器G0、3dB帶寬及Q值產(chǎn)生的影響。 仿真結(jié)果表明，R2增大，電壓增益變大、品質(zhì)因數(shù)變大、通頻帶變窄，選擇性變好，意味著L的損耗越小，仿真結(jié)果表明提高電感元件的品質(zhì)因數(shù)有利于改善放大器的選頻特性，該結(jié)果與理論相符合。
發(fā)射極電阻對(duì)放大器增益特性的影響。 設(shè)置RE分別取100Ω，1kΩ，2kΩ 時(shí)，利用參數(shù)掃描中的瞬態(tài)分析得到如圖所示的輸出波形。 觀察仿真結(jié)果可得出以下結(jié)論： a.當(dāng)發(fā)射極總電阻RE設(shè)置為100Ω時(shí)，輸出波形出現(xiàn)幅度衰落，放大電路無(wú)法穩(wěn)定工作，仿真結(jié)果與理論相符。 b.當(dāng)RE分別設(shè)置為1kΩ、2kΩ時(shí)，輸出波形幅值穩(wěn)定，RE值增大，輸出波形幅度減小，即電壓增益減小。 綜合上述仿真結(jié)果可知，要提高靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性，應(yīng)增加發(fā)射極總電阻RE，但RE增加導(dǎo)致放大電路的增益減小。兼顧靜態(tài)穩(wěn)定性和放大電路增益兩個(gè)因素，發(fā)射極總電阻值設(shè)置為 1kΩ。
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